Termodinámica y calorimetría

Termodinámica Sistemas Es el estudio de las transformaciones e intercambios de la Energía Estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía dentro de un determinado sistema y entre éste y su entorno Sistemas Es la porción delimitada y especificada del mundo físico (universo), que contiene cantidades definidas de sustancia que se consideran bajo estudio o constituyen nuestro interés. El resto del universo externo al sistema y que interactúa con él se denomina: entorno Universo: es el conjunto del sistema más el entorno

Tipos de sistemas Aislado: no hay transferencia de masa o energía con el entorno Ej; un termo ideal Cerrado: no se transfiere masa sí energía en forma de calor, trabajo o radiación Ej; un recipiente cerrado no ideal Abierto: transfiere masa y energía con su entorno Ej; el cuerpo humano En la vida real la mayoría son abiertos

Leyes o principios de termodinámica Energía y principios Energía: capacidad que un sistema tiene de realizar trabajo o para transferir calor. Calor, sonido, luz, electricidad, magnetismo son formas de energía Principios: afirmaciones basadas en hechos experimentales y que no se deducen de leyes ya definidas Leyes o principios de termodinámica Principio cero de la termodinámica: Si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Propiedad : Temperatura Primer principio de la termodinámica Ley de conservación de la energía La energía no se crea ni se destruye, solo se TRANSFORMA, por lo tanto la energía del universo se mantiene constante. El trabajo se transforma en calor y el calor en trabajo Propiedad: CALOR

Primer principio de termodinámica Durante un proceso físico o químico el calor no se crea ni se destruye, implican sin embargo una REDISTRIBUCION DE LA ENERGIA. De esta manera aun cuando hay una distribución de energía de una a otra parte del sistema la cantidad total de energía del sistema no se modifica. Energía interna : Representa toda la Energía contenida en una cantidad específica de sustancia. Corresponde a: Energía Cinética de las moléculas Energía de Atracción y Repulsión entre las moléculas Cambios de Energía Interna No se puede medir la Energía Interna de una sustancia directamente, solo se puede medir la variación de Energía Interna en un proceso dado E =E final – E inicial : E =E productos – E reactivos Otro cálculo de la Energía Interna: E : mediante la suma algebraica entre el intercambio de calor y el trabajo realizado E = q + w

Aplicación del primer principio en el hombre Si el sistema considerado es el organismo humano la forma de energía adecuada es la energía química, la cual se incorpora por medio de los alimentos. La energía química incorporada al organismo se convierte en parte en calor y otras formas de energía interna y en parte en energía mecánica. E1 = Q + E2 + D + T E1: Energía química incorporada (alimento) Q : Calor E2 : Energía química almacenada D : Productos de desecho T : Trabajo mecánico

Segundo principio de la termodinámica “En cambios espontáneos, el Universo tiende hacia el estado de máximo desorden” “Una cantidad de trabajo puede pasar íntegramente a calor pero una cantidad de calor no puede pasar íntegramente a trabajo”. Irreversibilidad de los procesos. Entropía?: Es una medida de la aleatoriedad o desorden del sistema. La segunda ley de la termodinámica determina la dirección preferida de los procesos irreversibles de la naturaleza Hacia el máximo desorden. Si se incluyen todos los sistemas que participan en un proceso, la entropía se mantiene constante o aumenta. “La entropía del Universo nunca puede disminuir” Procesos reversibles DS=0 Procesos irreversibles DS>0

Dirección natural del flujo del tiempo La naturaleza define el sentido de la "flecha del tiempo" por la tendencia hacia el desorden en sistemas de muchos objetos Algunos ejemplos de procesos naturales que nunca ocurren en sentido inverso son los siguientes: Los imanes pierden espontáneamente su magnetismo. La leña se quema en la chimenea produciendo gases y energía térmica (calor). El uranio se desintegra espontáneamente en torio emitiendo una partícula alfa. Las personas envejecemos y las montañas se erosionan. Todos son irreversibles

Ciclos termodinámicos Procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. Ciclo de Sadi Carnot(1824): ciclo básico de motores térmicos Para convertir el calor en trabajo mecánico, son necesarios dos fuentes con temperaturas distintas: La Caldera (depósito caliente ) y El condensador (o depósito frio ). Modelo de Sadi-Carnot

Segundo principio: enunciados 1. Máquina térmica (Kelvin): Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirlo en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo. 2. Refrigerador térmico (Clausius): Es imposible un proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un objeto a otro de mayor temperatura. Rendimiento de una máquina térmica Se llama así al cociente entre el calor aprovechado (trabajo producido ) y la cantidad de calor tomada por la máquina R = W = Q1 - Q2 Q1 Q1 R = Q1 - Q2 = 0,5 Q1 Significa que solo la mitad del calor tomado por la máquina es transformado en trabajo

S ­ Tercer principio Sólido Líquido Gas Establecido por Planck en 1912. La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero. O dicho de otra forma: La entropía de una sustancia pura, perfectamente cristalina (perfectamente ordenada) es cero en el cero absoluto(0 K)” Utilizada para determinar la dirección de las reacciones químicas Sólido Líquido Gas S ­

Calorimetría Calor: Energía que se transfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura. La cantidad de calor cedida es medible y se representa con la letra Q. Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC, 1g de una sustancia cualquiera. Se expresa en cal. y es característico de cada sustancia. Capacidad calórica: cantidad de calor que absorbe para aumentar su temperatura en 1ºC. Depende de su masa y de su calor específico Las unidades para medir el calor ”Q” son: * Caloría (cal) * Joule *Kilocaloría (Kcal) Calorías: Una caloría es el calor necesario para elevar en 1ºC la temperatura de 1g de agua C = [J/ºK] 1cal=4,184 J Temperatura: Nivel o grado de agitación de las moléculas contenidas en un cuerpo

TERMOS o frascos de DEWAR Para conservar la temperatura de una sustancia: No hay conducción (frasco de vidrio mal conductor de calor) No hay convección haciendo este recipiente de doble pared. Aislado No hay radiación por la reflexión sobre la superficie interna plateada.

Calorimetría: Calorimetría directa Son métodos que miden la cantidad de calor desprendida por el organismo, durante un tiempo determinado. La calorimetría puede ser Directa Indirecta. Calorimetría directa Mide cantidad total de calor producido por el organismo. CAMARAS CALORIMETRICAS DE ATWATER Este método Muy exacto y seguro: Da información acerca de TODO el calor usado. El calor producido por el organismo es medido por la ≠ de T (º C) en el H2O que circula por el calorímetro Muy costoso y complejo

Calorimetría directa

Calorimetría indirecta o respiratoria Determinación del metabolismo basal La cantidad de calor desprendido se calcula indirectamente por la cantidad de O2 consumido con el aparato de Benedict-Roth. Se utiliza la sgte. fórmula: Consumo de O2 lts. hora x 4,825 = Calorias.m2 sc Superficie Corporal m2 4,825 es el valor calórico para un cociente respiratorio de 0,82(cantidad de calorías que produce por litro de O2)

Metabolismo Metabolismo Basal: Tasa o Índice Metabólico Basal Totalidad de las transformaciones químicas y energéticas favorecidas por la actividad enzimática que se produce en el organismo. El metabolismo corresponde a dos tipos principales: Anabolismo: se sintetizan moléculas complejas a partir de sustancias más sencillas. Catabolismo: se degradan moléculas grandes en otras más pequeñas. Metabolismo Basal: Conjunto de reacciones químicas que ocurren en el organismo en estado de completo reposo físico y mental, es decir, en condiciones de mínima demanda en que la energía requerida se aplica íntegramente a mantener las funciones propias de la vida vegetativa Tasa o Índice Metabólico Basal Cantidad de energía requerida para mantener las reacciones del metabolismo basal. Se mide en kcal/m2.h. Condiciones requeridas para su medición: Reposo físico mínimo de 30 min. Reposo mental. Estado relajado pero despierto. Temperatura y ambiente cómodos (22ºC a 25ºC) Ayuno de 12 horas.

Cálculo de la T. M. B. Gasto Calórico Calorimetría indirecta Tablas (Normograma de superficie corporal) Gasto Calórico Es la energía, expresada en calorías, que necesita una persona para realizar sus actividades. Fórmula: 1 CAL X KILO DE PESO X 24 HRS X FACTOR DE ACTIVIDAD 1.3 SEDENTARIA 1.5 MODERADA 2.0 ALTA Una mujer en edad activa gasta entre 1800 y 2300cal por día, en cambio un hombre en las mismas condiciones gasta entre 2500 y 3000cal al día. Gasto Energético Total Diario: Actividad física  20% Efecto termogénico de los alimentos  10% Metabolismo basal  70%

Requerimiento energético diario Actividad física de acuerdo al tipo y por hora: liviana(100kcal/h),moderada ( entre 100 y 200 Kcal/h),intensa (entre 200 y 300 Kcal/h) y muy intensa (entre 300 y 400 Kcal/h) Efecto termogénico de los alimentos : energía gastada en la absorción y asimilación de los alimentos(10%). Metabolismo basal. Por Ej. Un individuo de 70 Kg. y 1,70 m o sea según las tablas de Du Bois 1,6m² de SC. Si su MB es de 42Kcal/hora/m²SC multiplicado por 24hs tenemos 1618 kcalorias al día. Actividad indeterminada : actividades cotidianas 300 Kcal./día Ejemplo : MB 1618 Kcal........ Act. Física Moderada 150 por 6 h.. 900 Kcal........ Act. Indeterm. 300 Kcal........ Efecto termogénico (10% de 2818 ) 281 Kcal........ TOTAL 3099 Kcal./día

Requerimiento energético diario Esta cantidad de calorías debe ser proveída por los alimentos. El valor energético de los nutrientes es : Glúcidos : 4 Kcal........ por g Proteínas : 4 Kcal........ por g Lípidos : 9 Kcal........ por g Alcohol : 7 Kcal........ por g Ecuaciones – Harris Benedict Tasa de Metabolismo Basal en mujeres (kcal./día) 655+ (9 x masa en kg) + ( 2 x altura en cm) – (5 x edad en años) Tasa de Metabolismo Basal en varones (kcal./día) 66 + (14 x masa en kg) + (5 x altura en cm) – (7 x edad en años)

Tasa Metabolica Basal.  TMB  TMB Práctica de ejercicios (aumento de masa muscular). Fiebre. Temperaturas extremas. Hipertiroidismo. Estrés. Embarazo y Lactancia. Metilxantinas. Ciclo Menstrual. Altura del medio ambiente. Edad. Hipotiroidismo. Inanición grave o prolongada desnutrición. Sueño. Menopausia.